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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Radkopfs für eine Arbeitsmaschine. Die Erfindung betrifft ferner einen Radkopf für eine Arbeitsmaschine, insbesondere für eine Land- oder Baumaschine.
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Ein Radkopf betreffender Art bildet die Radbefestigung und den Endantrieb einer Arbeitsmaschinenachse, insbesondere an einer Land- oder Baumaschine. Aus der
DE 10 2014 213 090 A1 derselben Anmelderin ist ein Radkopf vorbekannt, der ein Gelenkgehäuse mit einem Nabenträger, ein Planetengetriebe mit einem Hohlrad und eine Nabe, welche mit einem Fahrzeugrad verbindbar ist, aufweist. Die durch den Planetenträger des Planetengetriebes angetriebene Nabe ist über eine Lagerung mittels Wälzlagern auf dem Nabenträger drehbar gelagert. Das Hohlrad weist einen Flansch auf und ist hierüber mittels Steckverzahnungsverbindung drehfest mit dem Nabenträger verbunden.
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Die Herstellung eines solchen Radkopfs ist aufwändig und umfasst viele Arbeitsschritte von der Fertigung einzelner Komponenten über die Bereitstellung weiterer z. B. zugekaufter Komponenten bis hin zum Zusammenbau der Komponenten.
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Mit der Erfindung soll aufgezeigt werden, wie die Herstellung eines solchen Radkopfs optimiert werden kann.
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Dies gelingt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mit dem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf einen Radkopf, welcher, insbesondere mit einem erfindungsgemäßen Verfahren, besonders günstig herstellbar ist. Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.
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Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellende Radkopf für eine Arbeitsmaschine bzw. Arbeitsmaschinenradkopf weist folgende Komponenten auf:
- - ein Gelenkgehäuse mit einem Nabenträger;
- - ein Planetengetriebe mit einem Hohlrad, welches an einem Hohlradflansch mittels Steckverzahnungsverbindung drehfest mit dem Nabenträger verbunden ist; und
- - eine Nabe, welche mittels vorzugsweise zwei Wälzlagern drehbar auf dem Nabenträger des Gelenkgehäuses gelagert ist.
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Das erfindungsgemäße Herstellverfahren für diesen Radkopf umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- - spanendes Fertigen des Gelenkgehäuses, insbesondere aus einem Gussrohling;
- - spanendes Fertigen des Hohlrads, vorzugsweise aus einem Schmiederohling und insbesondere aus einem gedrehten Schmiederohling, wobei die Laufverzahnung (für die Planetenräder des Planetengetriebes) und die Steckverzahnung (für die Steckverzahnungsverbindung mit dem Nabenträger des Gelenkgehäuses) in einer Aufspannung bzw. Werkstückaufspannung durch Stoßen bzw. Verzahnungsstoßen, insbesondere durch Wälzstoßen, erzeugt werden;
- - Bereitstellen der übrigen Komponenten; und
- - Montieren des Radkopfs durch Zusammenbauen der zuvor gefertigten und/oder bereitgestellten Komponenten.
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Die Erfindung sieht also vor, dass beim Fertigen des Hohlrads die Innenlaufverzahnung und die Steckverzahnung in einer Aufspannung durch Stoßen und insbesondere durch Wälzstoßen erzeugt werden. Das Stoßen ist ein aus dem Stand der Technik bekanntes spanendes Metallbearbeitungsverfahren. Beim Stoßen wird ein Stoßwerkzeug translatorisch zum Werkstück bewegt. Ein Sonderverfahren ist das sogenannte Wälzstoßen, bei dem zusätzlich zur translatorischen Stoßbewegung noch eine Wälzbewegung erfolgt. (Im Weiteren wird auf entsprechende Fachliteratur verwiesen.) Das Stoßen bzw. Wälzstoßen wird auf einer Stoßmaschine bzw. Wälzstoßmaschinen ausgeführt, wozu das Werkstück in eine Werkstückaufnahme oder dergleichen dieser Maschine eingespannt wird, was auch als Aufspannen bezeichnet wird.
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Erfindungsgemäß werden in einer einzigen Aufspannung sowohl die Laufverzahnung als auch die im Durchmesser und Modul kleinere Steckverzahnung erzeugt. Hierzu wird vorzugsweise das selbe Stoßwerkzeug verwendet. Dieses Stoßwerkzeug ist insbesondere in Kombiwerkzeug, welches zwei auf einem Werkzeughalter angeordnete Stoßräder aufweist, nämlich ein größeres Stoßrad im hinteren Bereich des Werkzeughalters zur Erzeugung der Laufverzahnung und ein kleineres Stoßrad im vorderen Bereich des Werkzeughalters zur Erzeugung der Steckverzahnung. Zwischen den beiden Stoßvorgängen findet also weder ein Umspannvorgang des Werkstücks noch ein Werkzeugwechselvorgang statt, wodurch Bearbeitungszeiten reduziert und Fertigungstoleranzen verringert werden. Das zu fertigende Hohlrad ist entsprechend gestaltet.
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Die stoßende Fertigung der beiden Hohlradverzahnungen (beide Verzahnungen sind Innenumfangsverzahnungen) erfolgt bevorzugt im weichen Zustand (sogenannte Weichbearbeitung). Auch etwaige weitere spanende Bearbeitungsschritte werden bevorzugt im weichen Zustand ausgeführt, d. h., das Hohlrad kann im weichen Zustand spanend fertig bearbeitet werden. Anschließend kann dann noch eine Wärmebehandlung zur Härtung bzw. Randschichthärtung erfolgen. Eine weitere spanende Hartbearbeitung ist nicht vorgesehen.
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Bevorzugt umfasst die spanende Fertigung des Gelenkgehäuses eine Dreh- und/oder Fräsbearbeitung, wobei in einer Aufspannung bzw. Werkstückaufspannung zunächst die Dreh-/Fräsbearbeitung erfolgt und anschließend am Nabenträger die Steckverzahnung (für die Steckverzahnungsverbindung mit dem Hohlrad bzw. Hohlradflansch) durch Wälzfräsen erzeugt wird. Das Wälzfräsen ist ein aus dem Stand der Technik bekanntes spanendes Metallbearbeitungsverfahren. Beim Wälzfräsen entsteht zwischen dem rotierenden Wälzfräser und der Werkstückoberfläche ein schneckentriebartiger Fräseingriff. (Im Weiteren wird auf entsprechende Fachliteratur verwiesen.) Bevorzugt finden die Dreh- und/oder Fräsbearbeitung und die Wälzfräsbearbeitung des Gelenkgehäuses auf einer Bearbeitungsmaschine, insbesondere einer Drehmaschine, statt. Das herzustellende Gelenkgehäuse ist so gestaltet, dass es mittels Wälzfräsen verzahnt werden kann.
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Bei der Drehbearbeitung des Gelenkgehäuses kann am Nabenträger eine sich im Wesentlichen radial erstreckende Planfläche erzeugt werden, die beim Zusammenbauen bzw. der Montage als Anschlagfläche für das Hohlrad bzw. den Hohlradflansch dient. Ferner können bei dieser Drehbearbeitung, insbesondere ohne Umspannen, auch zwei durchmesserverschiedene Umfangsflächen beidseitig dieser Planfläche erzeugt werden. Da die Fertigung in einer Aufspannung und mit demselben Werkzeug (Drehmeißel) erfolgen kann, sind die Umfangsflächen mit sehr geringer Toleranz fertigbar (im µm-Bereich). Bevorzugt wird hierfür das bereits für die übrige Drehbearbeitung eingesetzte Werkzeug, insbesondere ein Drehmeißel, verwendet. Die Planfläche ist so angeordnet, dass der Auslauf benötigende Wälzfräser beim Erzeugen der Steckverzahnung hiervon keine oder kaum Späne abhebt. Außerdem muss die Planfläche groß genug sein, um im Betrieb eine plastische Verformung durch zu hohe Flächenpressung zu vermeiden.
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Bevorzugt wird wenigstens eine dieser Umfangsflächen, insbesondere die durchmesserkleinere Umfangsfläche, mit einer bestimmten Toleranz erzeugt, d. h. die erzeugte Umfangsfläche hat eine definierte Toleranzlage und einen definierten Toleranzgrad. Dadurch wird bspw. eine Spiel- oder Übermaßpassung mit dem Hohlradflansch ermöglicht, wobei die betreffende Umfangsfläche am Nabenträger bevorzugt als sogenannte Einheitswelle ausgeführt ist und die gewünschte Passung durch Erzeugung einer Hohlradflanschbohrung mit entsprechender Toleranz erreichbar ist.
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Die Umfangsflächen ermöglichen die Lagerung der Nabe bzw. die Nabenlagerung auf dem Nabenträger. Bevorzugt sind hierzu zwei Wälzlager vorgesehen, die ausschließlich dadurch eingestellt werden, dass beim Zusammenbauen die Stirnfläche des Hohlradflanschs und die Planfläche des Nabenträgers durch axiale Krafteinleitung aneinander gedrückt werden (nachdem der Hohlradflansch auf den Nabenträger aufgeschoben wurde). Bevorzugt befindet sich dabei der Innenring des (axial) äußeren Wälzlagers auf dem Hohlradflansch (indirekte Lagerung; s. u.). Die Lagerung der Nabe benötigt keinen weiteren Einstellvorgang. Die Stirnfläche und die Planfläche können während des Betriebs mittels wenigstens eines Gewindeelements, bspw. einer Zentralmutter, oder dergleichen in Kontakt gehalten werden.
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Die Steckverzahnung am Hohlrad bzw. Hohlradflansch und/oder die Steckverzahnung am Gelenkgehäuse bzw. Nabenträger kann/können mit Übermaß erzeugt werden, so dass sich beim Zusammenbauen zwischen den Verzahnungselementen (Zähnen) eine Pressverbindung, d. h. eine Steckverzahnungsverbindung mit Übermaßpassung, ergibt. Die Steckverzahnung am Hohlradflansch und/oder die Steckverzahnung am Nabenträger kann/können ferner konisch ausgebildet werden.
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Der mit dem nebengeordneten Patentanspruch beanspruchte Radkopf weist für die Lagerung der Nabe auf dem Nabenträger des Gelenkgehäuses ein axial inneres und ein axial äußeres Wälzlager (insbesondere Kegelrollenlager) auf, wobei sich der Innenring des äußeren Wälzlagers auf dem Hohlradflansch befindet bzw. auf dem Hohlradflansch angeordnet ist. Der Innenring des inneren Wälzlagers befindet sich bevorzugt auf dem Nabenträger. Damit ist die Nabe bzw. der Nabenkörper am inneren Wälzlager direkt und am äußeren Wälzlager indirekt über den Hohlradflansch auf dem Nabenträger gelagert. Eine solche direkte und indirekte Nabenlagerung kann auch als geteilte bzw. aufgeteilte Lagerung bezeichnet werden. Daraus ergeben sich Vereinfachungen beim Zusammenbauen bzw. eine vereinfachte Montage und der Entfall eines separaten Einstellvorgangs für die Wälzlager, wie oben erläutert.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Die in der Zeichnung gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch losgelöst von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung weiterbilden.
- 1 zeigt in einer Schnittansicht einen Radkopf für den Endantrieb an einer Land- oder Baumaschinenachse.
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Der Radkopf
100 weist ein Gelenkgehäuse
110 mit einem Nabenträger
115 auf, das einstückig (gegebenenfalls auch mehrstückig) ausgebildet ist. Der Radkopf
100 weist ferner eine Nabe bzw. einen Nabenkörper
120 auf, die über ein inneres Wälzlager 131 und ein äußeres Wälzlager
132 drehbar auf dem Nabenträger
115 gelagert ist. Der Radkopf
100 weist ferner ein Planetengetriebe
140 auf, das über die Welle
150 angetrieben wird. Der Planetenträger
160 des Planetengetriebes
140 ist drehfest mit der Nabe
120 verbunden und treibt diese bzw. das daran befestigte Fahrzeugrad an. Das einstückig (gegebenenfalls auch mehrstückig) ausgebildete Hohlrad
170 (Topfhohlrad) des Planetengetriebes
140 weist einen Hohlradflansch
175 auf, über den das Hohlrad
170 mittels hoch belastbarer Steckverzahnungsverbindung
180 drehfest mit dem Nabenträger
115 des Gelenkgehäuses
110 verbunden ist. Hierzu ist das Gelenkgehäuse
110 bzw. dessen Nabenträger
115 mit einer gehäuseseitigen Steckverzahnung, die äußere Verzahnungselemente aufweist, ausgebildet und das Hohlrad
170 bzw. dessen Hohlradflansch
175 ist mit einer hohlradseitigen Steckverzahnung, die innere Verzahnungselemente aufweist, ausgebildet. Die drehfeste Steckverzahnungsverbindung
180 kann sich durch Übermaß der verbundenen Bauteile 110/170 auszeichnen und kann wahlweise in Längs- bzw. Axialrichtung
L konische Verzahnungselemente aufweisen. Der Radkopf
100 kann ferner, wie prinzipiell aus der
DE 10 2014 213 090 A1 bekannt, auch mit einer Bremse ausgebildet sein.
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Der Radkopf 100 ist so konzipiert, dass dessen Bauteile bzw. Komponenten in einer optimierten Prozessfolge gefertigt und zusammengebaut werden können. Dies wird insbesondere durch eine fertigungs- und montageoptimierte Hohlradanbindung und eine optimierte Kombination von Prozessen zu deren Herstellung erreicht, wie nachfolgend näher erläutert.
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Das topfartige Hohlrad 170 ist so gestaltet, dass bei dessen Fertigung in einer einzigen Aufspannung sowohl die Laufverzahnung 171 (für die Planetenräder) als auch die Steckverzahnung am Hohlradflansch 175 (für die Steckverzahnungsverbindung 180 mit dem Nabenträger 115) durch Stoßen mit dem selben Stoßwerkzeug gefertigt werden können. D. h., zwischen den beiden Stoßvorgängen findet weder ein Umspannvorgang des Werkstücks bzw. des herzustellenden Hohlrads noch ein Werkzeugwechselvorgang statt. Das Hohlrad 170 ist ferner so gestaltet, dass es im weichen bzw. ungehärteten Zustand fertig bearbeitet werden kann und nach der Wärmebehandlung keine spanenden Fertigungsschritte mehr erfolgen müssen.
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Zugleich ist das Gelenkgehäuse 110 so gestaltet, dass bei dessen Fertigung die Steckverzahnung am Nabenträger 115 durch Wälzfräsen erzeugt werden kann. Bevorzugt findet dieser Wälzfräsvorgang in einer Drehmaschine statt. Zwischen dem Drehen und dem Verzahnen durch Wälzfräsen erfolgt kein Umspannvorgang des Werkstücks bzw. des herzustellenden Gelenkgehäuses, es wird also in einer Aufspannung gedreht und anschließend die Steckverzahnung im Fertigungsverfahren Wälzfräsen hergestellt.
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Der Nabenträger 115 des Gelenkgehäuses 110 weist eine schulterartige Planfläche 116 auf, welche mit der Stirnfläche des Hohlradflanschs 175 in Kontakt steht. Diese planare Kontaktfläche 116 ist axial so angeordnet, dass das Wälzfräswerkzeug beim Erzeugen der Steckverzahnung nicht oder nur zu einem geringen Teil Späne hiervon abhebt. Beidseitig der Planfläche 116 befinden sich zwei Umfangsflächen 117 und 118. Die durchmessergrößere innere Umfangsfläche 117 dient als Sitzfläche für das innere Wälzlager 131. Die durchmesserkleinere äußere Umfangsfläche 118, die sich in axialer Richtung L zwischen der Planfläche 116 und der gehäuseseitigen Steckverzahnung erstreckt, dient als Führungsfläche für das Hohlrad 170, d. h. der Hohlradflansch 175 ist an seinem vorderen verzahnungsfreien Bohrungsinnendurchmesser mit sehr geringem Spiel oder sogar mit Übermaß auf dieser Umfangsfläche 118 geführt. Zwischen dem Hohlrad 170 bzw. dem Hohlradflansch 175 und dem Gelenkgehäuse 110 bzw. dem Nabenträger 115 besteht in diesem Bereich also eine Passung.
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Das axiale Fertigungsmaß „A“ des Nabenträgers 115 ist bei der Drehbearbeitung des Gelenkgehäuses 110 mit sehr geringer Toleranz fertigbar, weil die Fertigung in einer Aufspannung und mit dem selben Drehwerkzeug erfolgen kann. Das axiale Fertigungsmaß „B“ des Hohlradflanschs 175 ist bei einer dem Verzahnungsstoßen vorausgehenden oder gegebenenfalls auch nachfolgenden Drehbearbeitung ebenfalls mit sehr geringer Toleranz fertigbar, da auch hierbei die Fertigung in einer Aufspannung mit dem selben Drehwerkzeug erfolgen kann. Zusammen ergeben die Maße „A“ und „B“ das Axialmaß „C“ für die Lagerung der Nabe 120 auf dem Nabenträger 115, welches folglich eine so geringe Toleranz aufweist, dass bei der Montage kein separater Einstellvorgang erforderlich ist. Die Einstellung der Nabenlagerung ergibt sich ausschließlich aus dem Maß „C“, indem die plane Stirnfläche des Hohlradflanschs 175 und die Planfläche 116 des Gelenkgehäuses 110 durch axiale Krafteinleitung aneinandergedrückt werden (die Planfläche 116 fungiert sozusagen als Anschlagfläche bzw. Anschlagschulter), wobei sich der Innenring des äußeren Wälzlagers 132 auf dem Hohlradflansch 175 befindet bzw. auf einer Außenumfangsfläche des Hohlradflanschs 175 angeordnet ist.
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Mithilfe der Zentralmutter 190, bei der es sich insbesondere um eine Nutmutter handelt, werden während des Betriebs die Stirnfläche des Hohlradflanschs 175 und die Planfläche 116 des Gelenkgehäuses 110 in Kontakt halten, wobei die Zentralmutter 190 eine Vorspannung erzeugt. (Die Zentralmutter 190 kann auch für die axiale Krafteinleitung beim Fügen verwendet werden.) Die Kontaktfläche zwischen der Stirnfläche des Hohlradflanschs 175 und der Planfläche 116 am Nabenträger 115 ist so bemessen, dass die zulässigen Flächenpressungen nicht überschritten werden, d. h., dass die wirksame Axialkraft weder die Stirnfläche des Hohlradflanschs 175 noch die Planfläche 116 des Nabenträgers 115 plastisch verformt. Anstatt der Zentralmutter 190 kann bspw. auch eine mit Bohrungen ausgebildete Scheibe (Lochscheibe) verwendet werden, die mittels Schrauben am Nabenträger 115 des Gelenkgehäuses 110 festgeschraubt wird.
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Wie bereits erläutert, kann die Außensteckverzahnung am Nabenträger 115 in axialer Richtung L konisch ausgebildet sein, insbesondere derart, dass der Durchmesser nach innen bzw. in Richtung der Planfläche 116 zunimmt. Die Steckverzahnung am Nabenträger 115 ist somit quasi eine Kegelverzahnung. Ebenso kann die Innensteckverzahnung am Hohlradflansch 175 in entgegengesetzter axialer Richtung konisch ausgebildet sein. Wenigstens eine der Steckverzahnungen ist also konisch ausgebildet. Bevorzugt sind beide Steckverzahnungen konisch ausgebildet. Beim Fügen geht gegen Ende des Fügeweges, d. h. vor dem Kontakt zwischen Hohlradflansch 175 und Planfläche 116 (bzw. vor Erreichen der Anlageschulter 116), das Luftspiel zwischen den Verzahnungselementen gegen null oder sogar auf Übermaß (Pressung), d. h., es ergibt sich eine spielfreie Steckverzahnungsverbindung 180. Somit kann fertigungs- und montagegünstig eine drehfeste Verbindung zwischen Hohlrad 170 und Nabe 110 geschaffen werden, welche frei von jeglichem Verdrehspiel ist.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Radkopf
- 110
- Gelenkgehäuse
- 115
- Nabenträger
- 116
- Planfläche
- 117
- Umfangsfläche
- 118
- Umfangsfläche
- 120
- Nabe
- 131
- Wälzlager
- 132
- Wälzlager
- 140
- Planetengetriebe
- 150
- Welle
- 160
- Planetenträger
- 170
- Hohlrad
- 171
- Laufverzahnung
- 175
- Hohlradflansch
- 180
- Steckverzahnungsverbindung
- 190
- Mutter
- A
- Maß
- B
- Maß
- C
- Maß
- L
- Längsrichtung
- R
- Radialrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014213090 A1 [0002, 0018]
